Термодинамическое моделирование восстановления железа и цинка из расплава B₂O₃ ‒ CaO ‒ Fe₂O₃ ‒ ZnО смесями СО ‒ CO₂ и H₂ ‒ Н₂О

В представленной статье приведены результаты термодинамического моделирования процессов восстановления цинка и железа из расплавов B₂O₃ ‒ CaO ‒ Fe₂O₃ ‒ ZnО смесями СО ‒ СО₂ и Н₂ ‒ Н₂О, содержащими 0 ‒ 60 % СО₂ (Н₂О) в интервале температур 1273 ‒ 1673 К. В работе использована методика, описывающая восстановление металлов из оксидного расплава газом в барботажных процессах в условиях, обеспечивающих приближение к реальным системам. Ее оригинальность состоит в том, что равновесие определяют для каждой единичной порции газа, вводимой в рабочее тело, а содержание оксидов восстанавливаемых металлов в каждом расчетном цикле принимают из предшествующих данных. В ходе расчетов проведена оценка изменения содержания оксидов цинка (С_ZnO ) и железа (С_Fe2O3  , С_Fe3O4  и С_FeO ) в расплаве и степени их восстановления. Показано, что при восстановлении CО или Н₂ этот процесс протекает в три этапа. На первом этапе происходит восстановление Fe₂O₃  до Fe₃O₄  и FeO. Значения С_Fe2O3  уменьшаются почти до нуля, одновременно увеличиваются С_Fe3O4  и С_FeO . К концу этапа С_Fe3O4 достигает максимального значения. На втором этапе имеет место переход Fe₃O₄ → FeO, когда значения С_FeO  достигают максимума. На этих этапах возникает небольшое увеличение С_ZnO . На третьем этапе значения С_FeO и С_ZnO уменьшаются, происходит восстановление железа и цинка. Рост температуры резко снижает расход газа на восстановление цинка в 2 ‒ 3 раза, а замена СО на Н₂ уменьшает его менее, чем на 20 %. В присутствии окислителей (СО₂ или Н₂О) восстанавливается только цинк. Процесс завершается, когда конечное содержание оксида цинка в расплаве соответствует равновесному с исходным составом газа. Чем выше температура, тем меньше С_ZnO . Полученные данные полезны для создания технологий селективного восстановления металлов

1. Wang C., Li K., Yang H., Li C. Probing study on separating Pb, Zn, and Fe from lead slag by coal-based direct reduction // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 6. P. 996–1003. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-683

2. Леонтьев Л.И., Дюбанов В.Г. Техногенные отходы черной и цветной металлургии и проблемы окружающей среды // Экология и промышленность России. 2011. № 4. С. 32‒35.

3. Якорнов С.А., Паньшин А.М., Козлов П.А., Ивакин Д.А. Разработка технологии и аппаратной схемы пирометаллургической переработки пылей черной металлургии // Цветные металлы. 2017. № 9. С. 39‒44. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.09.06

4. Горлова О.Е., Тарасова А.Е., Ефремова О.Г. Изыскание путей комплексной переработки шламов доменного производства // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2005. № 4 (12). С. 4‒6.

5. Guezennec A.–G., Huber J.–C., Patisson F., Sessieq P., Birat J.–P., Ablitzer D. Dust formation in electric arc furnace: Birth of the particles // Powder Technology. 2005. Vol. 157. No. 1‒3. P. 2‒11. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.05.006

6. Окунев А.И., Костьяновский И.А., Донченко П.А. Фьюмингование шлаков. М.: Металлургия, 1966. 259 с.

7. Тарасов А.В., Бессер А.Д., Мальцев В.И. Металлургическая переработка вторичного цинкового сырья. М.: ГИНЦВЕТМЕТ, 2004. 219 с.

8. Козлов П.А. Освоение процессов рециклинга техногенных отходов металлургического производства // Цветная металлургия. 2014. № 2. С. 45‒52.

9. Reddy R.G., Prabhu V.L., Mantha D. Zinc fuming from lead blast furnace slag // High Temperature Materials and Processes. 2003. Vol. 21, No. 6. P. 377‒386.

10. Verscheure K., van Camp M., Blanpain B., Wollants P., Hayes P.C., Jak E. Zinc fuming processes for treatment of zinc containing residues // Proceedings of Lead and Zinc, Osaka, 2005. MMIJ, 2005. P. 943‒960.

11. Morcali M.H., Yucel O., Aydin A., Derin B. Carbothermic reduction of electric arc furnace dust and calcination of waelz oxide by semi-pilot scale rotary furnace // Journal of Mining and Metallurgy. Section B – Metallurgy. 2012. Vol. 48. No. 2. P. 173‒184. http://doi.org/10.2298/JMMB111219031M

12. Zhang H.N., Li J.L., Xu A.J., Yang Q.X., He D.F., Tian N.Y. Carbothermic reduction of zinc and iron oxides in electric arc furnace dust // Journal of Iron and Steel Research International. 2014. Vol. 21. No. 4. P. 427–432. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(14)60066-2

13. Тюшняков С.Н., Селиванов Е.Н., Чумарев В.М. Оценка скорости отгонки цинка из шлака в печи постоянного тока // Цветные металлы. 2013. № 12 (852). С. 13‒17.

14. Козырев В.В. Отгонка цинка из шлака при фьюминговании природным газом // Цветные металлы. 2009. № 2. С. 61‒64.

15. Козырев В.В., Бессер А.Д., Парецкий В.М. К вопросу извлечения цинка из шлаков свинцовой плавки // Электрометаллургия. 2013. № 6. С. 31‒35.

16. Romenets V.A. Romelt Process // I&SM (Iron & Steelmaker). 1995. Vol. 22. No. 1. P. 37‒41.

17. Дорофеев Г.А., Янтовский П.Р., Смирнов К.Г., Степанов Я.М. Процесс ORIEN для выплавки высококачественных сталей из рудного и энергетического сырья на приципе самоэнергообеспечения // Черные металлы. 2017. № 5. С. 17‒23.

18. Schlesinger M.E., King M.J., Sole K.C., Davenport W.G. Extractive Metallurgy of Copper. 5th ed. Elsevier, 2011. 481 p.

19. Vignes A. Extractive Metallurgy 3: Processing Operations and Routes ISTE Ltd., John Wiley & Sons, Inc., 2011. 352 p.

20. Bakker M.L., Nikolic S., Burrows A.S., Alvear G.R.F. ISACONVERTTM — continuous converting of nickel/PGM mattes // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2011. Vol. 111. No. 10. Р. 285‒294.

21. Errington B., Arthur P., Wang J., Dong Y. The ISA-YMG lead smelting process // Proceedings of the Int. Symp. on Lead and Zinc Processing, Osaka, 2005. P. 943‒960.

22. Hughes S., Reuter M.A., Baxter R., Kaye A. AUSMELT technology for lead and zinc processing // Proceedings of Lead and Zinc 2008, 25‒29 February 2008, South African Institute of Mining and Metallurgy (SAIMM), South Africa, P. 147‒162.

23. Русаков М.Р. Обеднение шлаковых расплавов продувкой восстановительными газами // Цветные металлы. 1985. № 3. С. 40‒42.

24. Комков А.А., Баранова Н.В., Быстров В.П. Исследование восстановительного обеднения высокоокисленных шлаков в условиях барботажа // Цветные металлы. 1994. № 12. С. 26‒30.

25. Фомичев В.Б., Князев М.В., Рюмин А.А. и др. Исследование процесса обеднения шлаков продувкой их газовыми смесями с различным парциальным давлением кислорода // Цветные металлы. 2002. № 9. С. 32‒36.

26. Комков А.А., Камкин Р.И. Поведение меди и примесей при продувке медеплавильных шлаков газовой смесью СО–СО2 // Цветные металлы. 2011. № 6. С. 26‒31.

27. Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Ченцов В.П., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н. Формирование металлической фазы при барботаже газом-восстановителем многокомпонентного оксидного расплава. Сообщение 1. Теоретические основы процесса // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. № 9. С. 639‒643. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-9-639-643

28. Вусихис А.С., Дмитриев А.Н., Леонтьев Л.И., Шаврин С.В. Кинетика восстановления оксидов металлов из расплава газомвосстановителем в барботируемом слое // Материаловедение. 2002. №10. С. 30‒34.

29. Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994. 352с.

30. Boronenkov V., Zinigrad M., Leontiev L., Pastukho V.E., Shalimov M., Shanchurov S. Phase Interaction in the Metal-Oxide MeltsGas System. The Modeling of Structure, Properties and Processes. Heidelberg, Berlin: Springer-Verlag, 2012. 405 р. https://doi.org/10.1007/978-3-642-22377-8

31. Dmitriev A.N., Vusikhis A.S., Sitnikov V.A., Leontiev L.I., Kudinov D.Z. Thermodynamic modeling of iron oxide reduction by hydrogen from the B2O3 – CaO ‒ FeO melt in bubbled layer // Israel Journal of Chemistry. 2007. Vol. 47. No. 3‒4. P. 299‒302. https://doi.org/10.1560/IJC.47.3-4.299

32. Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н. Термодинамическое моделирование восстановления никеля и железа из многокомпонентного силикатного расплава в процессе барботажа. Сообщение 1. Восстановитель ‒ смесь СО ‒ СО2 // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 9. С. 731‒736. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-9-731-736